Инженер-электронщик
0,2
рейтинг
18 октября 2015 в 19:26

Роботы ИТЭР

Широкая публика воспринимает проект ИТЭР прежде всего как набор штампов: “солнце в бутылке”, “100 миллионов градусов” и “чистая и неисчерпаемая энергия для человечества”. Но, порой остающиеся за кадром инженерные решения могут принести не меньше пользы, чем решение проблемы термоядерной энергетики. Например в области робототехники ИТЭР будет сложнейшим и самым передовым проектом в мире. Да-да, именно так.

image
Роботы заваривают секцию тороидального магнита ИТЭР


Необходимость обслуживания, ремонта, модификации этого крупнейшего в мире токамака людьми невозможно из-за высокого уровня радиации, который возникнет сразу после первых сеансов работы ИТЭР с термоядерным горением, из-за нейтронной активации, о чем я более подробно писал в прошлый раз.

image
Мощность дозы внутри вакуумной камеры, в зивертах и ее динамика во времени.

А значит все работы внутри тора и в непосредственной близости от вакуумной камеры (подробнее про вакуумную камеру, бланкет и дивертор, которые будут дальше постоянно встречаться в тексте), а так же в помещениях инжекторов нейтрального луча должны выполняться роботизированной системой, а точнее набором разнообразных систем. Кроме того, уже после запуска ИТЭР в постоянную исследовательскую работу будет достроено помещение горячих камер — для работы с извлекаемыми из реактора элементами конструкций, их починке, ремонту и обновлению. Основная проблема состоит именно в том, что все работы с абсолютно всем оборудованием, которое будет находится близко к плазме можно вести удаленно — либо в самом реакторе, либо вывозя его в горячие камеры. Забавно, кстати и то, что в токамаке темно, поэтому роботы вынуждены нести на себе еще и освещение.
Итак, давайте посмотрим, из чего будет состоять мощнейший комплекс дистанционного обслуживания термоядерного реактора ИТЭР. Всего он подразделяется на 7 систем:

image

1. Описанная выше система дистанционного обслуживания в горячих камерах (HCRHS — hot cell remote handling), предназначенная для работы с активированными элементами ИТЭР вне самого реактора

image
План одного этажа здания горячих камер. Видны пристыкованные транспортные контейнеры (синие)

2. Автоматические транспортирующие контейнеры (или cask) и вставки портов (TCS — transfer cask system). В вакуумной камере сделаны 44 прохода — порта, на 3 уровнях. Оборудование, обращенное к плазме организуется в специальные модули — “вставки в порты”. Это позволит относительно быстро и модернизировать машину и чинить поломки, не останавливая реактор на месяцы. Кроме того транспортные cask’и будут доставлять и развертывать в реакторе все остальные робототехнические системы.

image

3. Система замены модулей бланкета (IVBT — In-Vessel Blanket Transporter ). Бланкет, который является экраном всей машины от излучения плазмы будет сменным. Как минимум первая стенка будет постепенно испаряться и повреждаться нейтронным излучением, и раз в примерно 5-10 лет ее необходимо будет заменять.

image
Развернутая через 3 порта IVBT (желтые элементы на сером рельсе)

4. Аналогичная по функциям система замены модулей дивертора (DRH — Divertor remote handling). Дивертор — это часть бланкета, расположенная снизу, которая непосредственно касается плазмы, постоянно охлаждая и отбирая часть ее. Естественно, его износ будет еще серьезнее, и раз в 8-10 лет будет проводится замена всех 54 кассет дивертора.

image

5. Робот многоцелевого обслуживания вакуумной камеры (MPD — Multi-Purpose Deployer). Удаленно управляемый обслуживающий робот-манипулятор, развертываемый с транспортного контейнера. Его задача — устранять аварии, например разрывы трубок, проводить инспекцию элементов вакуумной камеры и т.п.
6. Система внутрикамерного зрения. (IVVS — In-vessel Viewing System) 6 манипуляторов с HD камерами и лазерными сканерами, которые базируются прямо в специальных карманах внутри вакуумной камеры для возможности быстрой инспекции.

image

7. Система обслуживания инжекторов нейтрального луча (NBSRH — Neutral beam System Remote Handling). Набор роботизированных кранов и манипуляторов для одной отдельной системы нагрева плазмы. К сожалению, эти 50 мегаваттные ускорители имеют общий объем с вакуумной камерой, а значит на их стенках будет оседать тритий, а на элементы их конструкции попадать энергичные термоядерные нейтроны. Отсюда необходимость удаленного обслуживания.

Прежде чем приступить к более подробному изучению всех этих роботов, необходимо упомянуть несколько проблем, стоящих перед разработчиками, которые затягивают сложность решений буквально в космос.
Во-первых, понятно, что всем этим системам придется работать в условиях высоких радиационных полей. Второй важный аспект — внутренности токамака — это высоковакуумное окружение, а значит никаких смазок, никаких гидравлических приводов с маслом. С такими ограничениями нужно создать механизмы, которые будут ставить, снимать и перемещать по сложным траекториям в узких пространствах большие многотонные блоки бланкета (до 4,5 тонн) и кассеты дивертора (9,5 тонн!) с высокой точностью и надежностью. Важнейшим аспектом становится взаимодействие одних робототехнических систем с другими — развертывать IVBT придется с 3-х транспортных caks’ов, пристыкованных к 3 разным портам, а тречить положение системы через IVVS. Подобные задачи в таких масштабах не приходилось пока решать никому в мире.

image
Или вот например при установке диверторных кассет необходимо уметь с помощью роботов резать и сваривать трубопроводы охлаждения.

Итак, давайте взглянем на системы подробнее. Начнем с транспортных контейнеров.

image
Транспортные контейнеры, подстыкованные на трех разных уровнях к портам вакуумной камеры.

В комплексе ИТЭР будет здание горячих камер, где будет производится вся работа с радиоактивными компонентами, материалами и т.п. Оно непосредственно “пристыковано” к основному зданию токамака. Между портами токамака и горячими камерами будет курсировать 14 специальных автоматических механизмов, каждый размером чуть больше 20 футового контейнера. Они предназначены для перевозки всего, что будет вставляться и выниматься из портов токамака -модули научного оборудования, антенны систем нагрева плазмы, опытных элементов будущих термоядерных реакторов, роботов для развертывания внутри вакуумной камеры, наконец модулей бланкета и кассет дивертора.

image
План зданий токамака и горячих камер и траектории движения контейнеров.

Забор груза осуществляется путем пристыковки передним интерфейсом контейнера к портам ИТЭР и вытягивания из порта элементов — вставок порта. Кроме того, к многим портам будут пристыкованы с внешней стороны промежуточные структуры, расширяющие объем для оборудования вставки порта. Они тоже будут перемещаться с помощью этой системы. Кстати, замена вставок портов — это не просто вставка кассеты. Кроме немаленькой массы (до 45 тонн!) и точности перемещения в единицы миллиметров необходимо уметь разрезать и сваривать трубопроводы, отключать электрические разъемы и и т.п. Перемещаться cask’и скорее всего будут на воздушной подушке, снабжены двойными дверями, что бы скрывать при перемещении радиоактивную пыль внутри себя.

image

На данный момент к этой системе определены требования (есть вот такие интересные ролики, где исследуются траектории этих роботов внутри здания ИТЭР, и формулируются требования к их сенсорам), но конкретная инженерная проработка еще не начиналась и не выбран изготовитель — так что возможно внешний вид системы и поменяется. За разработку и производство отвечает Европейский союз.
Как мы помним, с нескольких подобных cask’ов будут разворачиваться системы обслуживания дивертора и бланкета. Японская система IVBT для обслуживания бланкета неуловимо несет в себе дух анимэ про гигантских роботов, если посмотреть на процесс разворачивания этого механизма:


Интересно, что за время разворачивания cask'и сделают 12 рейсов с разными частями IVBT.

Кроме головоломной механики системы у нее есть и другие сложности. Прежде всего это деформации системы под весом 4,5 тонного стального модуля бланкета.

image

Для достижения точности конечного эффектора этого робота в 2 мм (на базе 5 метров!) используется как связка виртуальная реальность/структурная симуляция, так и техническое зрение с разрешением 0,1 мм. Виртуальная реальность/структурная симуляция — это использование законов физики в виртуальной симуляции положения элементов робота, с моделированием их деформаций в реальном времени. В настоящее время такая виртуальная реальность, пользуясь данными с датчиков механики робота (энкодеров) достигла точности в 5 мм и 5 градусов по всем осям. Что бы еще улучшить ситуацию, эта виртуальная симуляция корректируется системой технического зрения, которая ориентируется на 3д модели модулей к которым подносится манипулятор. Это позволило довести ошибки позиционирования до 0,8 мм и 0,2 градуса.

image

Финальное позиционирование бланкета на креплениях будет осуществляться с помощью датчиков усилий в манипуляторе. Интересно, что для этого механизма довольно сложным оказалось создание системы развертывания — сматывания кабеля, т.к. общая длина от cask’а с кабелем до манипулятора может достигать 40 метров.

image

Впрочем, если для японской системы ключевой является обеспечение точности на сложной стенке двойной кривизны вакуумной камеры при размахе операций в десятки метров, то для системы замены диверторных кассет, разрабатываемых в финском университете в Тампере бОльшей проблемой является очень небольшие зазоры диверторного порта, в котором необходимо проводить кассету и тело робота (система состоит из двух субъединиц — Cassette multifunctional mover (CMM), двигающего кассеты через порт и Cassette toroidal mover (CTM), занимающегося перемещением кассет вдоль дивертора) — не больше 10-15 мм.

image

image

Точно так же здесь используется виртуальная реальность со структурной симуляцией. Для разработки этой системы в центре VTT в Финляндии построен специальный макет части токамака, на котором отрабатываются операции. Интересно, что для зажатия кассет в корпусе вакуумной камеры, для приварки труб охлаждения и других мелких операций используется встроенный в CMM/CTM манипулятор на водяной гидравлике — наилучшим образом совместимый с радиационно-вакуумным окружением токамака, но довольно медленный. Для этой системы характерен большой объем отработки на специальном тестовом стенде, что позволило довести значительную часть техники, программного обеспечения и операций до готовности к применению в ИТЭР.


Шикарная симуляция работы CTM по установке кассеты, начиная с извлечения из cask'a


И небольшое видео с кадрами работы системы на тестовой платформе
Вообще, надо заметить, что робототехнические операции подобной сложности будут очень не быстрыми. За замену 54 кассет дивертора отводится год, на замену всего бланкета — полтора. Правда, заметную роль в таких затяжках играют сроки замораживания-размораживания сверхпроводящих магнитов — 2 месяца что бы перейти от состояния “плазменные операции” в “возможно обслуживание” и обратно.

image
Прототип инспекционной системы IVVS — Робот AIA

Для того, что бы не ждать месяц для доступа манипулятором внутрь, французкое агенство CEA разрабатывает инспекционного робота AIA, способного работать при температурах от -50 до 170 С, ультравысоком вакууме и при радиационных полях до 50 тысяч рентген в час. Этот манипулятор несет камеры высокого разрешения и лазерный трекер, а в будущем — масс-спектрометр для поиска даже самых незначительных утечек из многочисленных трубопроводов охлаждения и лазерно-индуцированный оптический спектрометр для изучения осаждений на стенках вакуумной камеры.

image
Прототип лазерного трекера для IVVS

6 подобных манипуляторов, расположенных в специальных хранилищах по периметру вакуумной камеры составят систему внутреннего обзора IVVS. Ее можно будет развернуть внутрь в любой момент (кроме как во время горения плазмы :)) для инспекции повреждений. Точность разрешения камеры должна быть не хуже 1 мм на дистанции в 4 метра и 3Д сканирование с точность 0.165 мм

image
AIA развернутый во время испытаний в токамаке Tore Supra в высоковакуумных условиях при температуре стенок 120 С.

Если инспекции, проведенные с помощью IVVS покажут необходимость ремонтов, то в игру вступит телеуправляемый робот MPD.

image

Разрабатываемый английской компанией Oxford Technologies он является обновленной версией робота обслуживающего токамак JET. Его задачи, кроме ремонтов — настройка и калибровка внутренних частей научного и инженерного оборудования токамака, а так же немаловажная задача — сбор радиоактивной пыли, которая образуется в результате воздействия термоядерной плазмы на поверхности вакуумной камеры. Еще одной немаловажной задачей MPD является спасательные операции для других робототехнических систем в случае их отказа.

image

При длине манипулятора 8 метров максимальная полезная нагрузка должна составлять 2 тонны. Как и в версии робота для JET на MPD будут размещены 2 телеуправляемых манипулятора с обратной связью, несколько камер и лазерных радаров. Интересно, что для этого робота уже разработано множество “ручных” инструментов для резки-сварки труб, монтажа-демонтажа различного оборудования, инспекций и исследования.

image
Или, например готовые к установке манипулятором CMM/CTM разъемы диверторных кассет — тоже разработка Oxford Technoligies

Кроме самой вакуумной камеры, в регулярном дистанционном обслуживании нуждаются и инжекторы нейтрального луча. Для этого в помещении NBI (где изначально будет размещено 2 силовых и 1 диагностический NBI) будет расположено несколько схожих с MPD роботов с телеуправляемыми манипуляторами, а так же специальные краны, перемещающийся по монорельсовой системе под потолком, способные поднимать и заменять самые тяжелые компоненты NBI.

image
Общий план робототехнической системы NBI

image
Рендер робота для обслуживания цезиевых печек и радиочастотных генераторов инжектора нейтрального луча.

Чтож, во второй части статьи, после обзора робототехнических систем ИТЭР, мы поговорим про то, как дистанционное обслуживание влияет на конструктив токамака, идеологию и операции телеуправляемых операций такого масштаба. Так же я постараюсь затронуть тему перехода разрабатываемых технологий в промышленность, не связанную с термоядерными реакторами.
Валентин @tnenergy
карма
142,0
рейтинг 0,2
Инженер-электронщик
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (15)

  • +4
    Но, порой остающиеся за кадром инженерные решения могут принести не меньше пользы, чем решение проблемы термоядерной энергетики.
    К сожалению многие, не понимая решаемых учёными задач, считают что они большую часть времени просто ковыряют в носу вместо работы, хотя это далеко не так)
    Виртуальная реальность/структурная симуляция — это использование законов физики в виртуальной симуляции положения элементов робота, с моделированием их деформаций в реальном времени.
    Есть ли какие-то данные об этом ПО, используют ли они существующее, или создавали под эти цели что-то собственное?
    • +3
      Мне кажется проблема в том, что даже сейчас некоторые технологии(гораздо проще ИТЭР) выглядят как коробки с волшебным светом, дающие материалам новые свойства.
      • 0
        Нисколько не умаляю достоинств камеры беларусских учёных и инженеров, но подобных камер ионного напыления не так мало по миру, и используются они (пусть и довольно ограниченно) уже лет сорок.
    • +3
      >Есть ли какие-то данные об этом ПО, используют ли они существующее, или создавали под эти цели что-то собственное?

      По CTM/CMM есть статьи из которых можно выудить данные. Напишите лс, я вам на почту эти статьи скину. По японцам традиционно ничего подобного нет, остальные системы еще не дошли до такой инженерной зрелости.
  • +7
    Задача — отремонтировать реактор.
    Правильная последовательность выглядит так:
    — Усилить гамма-плутониевый экран;
    — Десинхронизировать нептуниевую крыльчатку;
    — Откалибровать привод урановых стержней;
    — Подать ток на конденсатор класса Сатурн;
    — Протестировать волновой компилятор «Юпитер»;
    — Установить гидроэлектрический регулятор магнитосферы.
    схема


    • 0
      Помню, при первом прохождении не подумал, что надо всё делать через комп, и попёрся прямо в двери с цифрой «5»…
  • +1
    Блин… будущее здесь. Даже не верится, что столь сложный проект реально воплощается в жизнь.
    • 0
      А у меня наоборот возникает смутное чувство что все это жутко переусложнено и можно сделать намного проще. Хотя скорее всего, это мне Даннинг с Крюгером мешают.
      • 0
        Такие ухищрения не от хорошей жизни придумали ). Внутреннее покрытие ITER будет быстро изнашиваться, если мне память не изменяет, то за 5 лет придут в негодность самые нагруженные части, и тут у нас остаётся два выбора — или сразу разрабатывать его, со сроком службы в 5 лет (что слишком мало для такой дорогой установки, и для исследований), или порождать такие «лишние» сложности, как автоматизированные установки по ремонту (а внутрь любого реактора, и обычного ядерного в том числе, нельзя входить человеку несколько лет — таких длительных простоев нельзя допустить).

        Одни проблемы порождают другие проблемы, и т.д. А в конечном итоге вы находите себя решающим проблему, как увязать все решения проблем, которые вы решили до сих пор).
        • 0
          Разумеется, я все это понимаю. Меня смущает то, что ТРИЗ учит нас не решать проблемы буквально («не искать компромиссов»), а искать оптимальное решение.

          Текущие же сложности напоминают проблемы расчета орбит небесных тел, если считать их в геоцентрической системе координат. Безусловно, задачу можно решить в лоб «как есть», но цена такого решения выходит непомерной.

          Предложить же красивое решение я, понятное дело, не могу.
          • +1
            Проблема БАК и ITER на самом деле — это их «эксклюзивность». В том виде, как они сейчас есть — их больше одной штуки не надо, от этого — и ноги у этих решений растут. Это просто другой подход: делаем одну установку «как есть», затем проводим опыты и на основе их решаем какую установку делать новой.

            Даже будущий DEMO (если его другим проектом не заменят), будет в одном экземпляре, а значит и смысла упрощать его конструкцию не будет — используют их высококвалифицированные специалисты, удешевлять эксплуатацию тоже не надо (пользы от «вложений» в какие-то конструкционные ухищрения — не оправдается).

            Но как раз в этом виде, они имеют ещё большую пользу — скажем в них можно использовать дорогие материалы, сложную электронику и роботов, которые иначе бы просто не появились. Скажем Canon разрабатывала жутко дорогую камеру для телескопов обсерватории Кека, а дальше эти наработки уже можно использовать в бытовой технике — самая дорога часть (разработка технологии) уже пройдена.
      • +3
        Необходимо помнить, что это экспериментальная установка. Она всегда будет во много раз сложней рабочего термоядерного реактора. На ней будут заниматься обкаткой технологий термоядерного синтеза. Поэтому делается все так долго и сложно. А вот когда дело дойдет до коммерческого образца, тогда все будет проще и местами надежней, т.к. все технологии обкатают на этом реакторе. А возможно что данная схема вообще будет признана не рентабельной и ненадежной, а этот реактор навсегда останется экспериментальным.
      • 0
        Знаете, ИТЭР — это не первый токамак (их построено больше 150). Но это совершенно уникальная установка для того, что бы достичь совершенно нового уровня. В нем мало задумываются о рентабельности электроэнергии, это прежде всего «да, мы можем». Это прекрасная машина, рекордная в каждом своем винтике. Не всем нравится такой непрактичный подход — американские конгрессмены чуть ли не каждый год пытаются сократить участие США в этом проекте. Но лично я считаю, что иногда надо забыть о чисто практической пользе, и заниматься вдохновляющими прорывами, да еще и с гранитно понятным результатом — получить горящую термоядерную плазму (это не постулируется как задача проекта, постулируется гораздо более осторожное Q=10, но расчеты монте-карло показывают, что ИТЭР способен выйти на режим, когда можно фактически отключить подогрев, на зажигание плазмы). Более того, количество spin-off технологий, которые дает этот проект как мне порой кажется оправдывает его стоимость.
  • 0
    А почему сверхпроводящие магниты БАК не пытаются обслуживать роботами без разморозки?
    • 0
      Без разморозки не получится — попадание атмосферы (вместе с роботом, шлюзов-то нет) внутрь криостата — это аварийная ситуация с большой вероятностью того, что магнит выйдет из строя. БАКу проще с точки зрения активации — у него проблематичными являются только те части, которые непосредственно попадают в протонный луч: wire scanner'ы, beam screen'ы, всякие измерители гало, механизмы для чистки луча, дамперы и проч небольшие специализированные устройства. Вот их меняют с телеуправлением. Общая масса активированных конструкций в БАК измеряется десятками-сотнями кг, а не тысячами тонн.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.